La biologia molecolare del gene

1. 0 La biologia molecolare del gene

2. Testa DNA Coda Fibre della coda 300 000 La struttura del materiale genetico • Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il materiale genetico è formato da DNA • Nel 1952 gli esperimenti dei biologi Alfred Hershey e Martha Chase dimostrarono che alcuni virus sono in grado di riprogrammare le cellule ospiti per produrre nuovi virus, iniettando il proprio DNA dentro le cellule.

3. Scheletro zucchero-fosfato Gruppo fosfato Base azotata A A Zucchero Base azotata(A, G, C, o T) Gruppo fosfato C C Nucleotide del DNA O H3C H C C N O C C T T CH2 O O P H N O Timina (T) O– O C C H H G G H H C C H O Zucchero (deossiribosio) T T Nucleotide del DNA Polinucleotide del DNA • DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi • Il DNA è un acido nucleico costituito da lunghe catene di nucleotidi.

4. H H H H O N N O C H C H H3C C C H N N N C C N C N N C H H C C C C C C C C C C H O H N N N O H N N H N N H H H H H Adenina (A) Guanina (G) Timina (T) Citosina (C) Purine Pirimidine • Il DNA ha quattro tipi di basi azotate: • adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G)

5. Base azotata (A, G, C, o U) Legenda Idrogeno O Gruppo fosfato Carbonio C H Azoto H N C O Ossigeno C C Fosforo H CH2 O O P O N Uracile (U) O– O C C H H H H C C OH O Zucchero(ribosio) • Anche l’RNA è un acido nucleico ma è composto da uno zucchero leggermente differente (il ribosio) e una base azotata chiamata uracile (U) al posto della timina.

6. DNA ha la forma di un’elica a doppio filamento • Nel 1953 James Watson e Francis Crick determinarono la struttura tridimensionale del DNA, basandosi anche sul lavoro di Rosalind Franklin.

7. Torsione • La struttura del DNA consiste di due filamenti di polinucleotidi attorcigliati l’uno sull’altro in una doppia elica. • Si può immaginare questa struttura come una scala di corda dotata di rigidi pioli in legno e arrotolata in spire.

8. G C O T A OH Legame idrogeno P –O O A T OH Coppie di basi appaiate O H2C A T O CH2 O O C G P O O– –O C G O P O H2C O O C T G A O CH2 C G O O P O O– – O O P O H2C O O G C A T O CH2 O O A T P O – O O– O P A T O O H2C O A T A T CH2 O OH O O– P G C HO O T A Struttura chimica Modello a nastro Modello computerizzato • I legami idrogeno tra le basi tengono uniti i filamenti. • Ogni base è appaiata con una base complementare: A con T, e G con C

9. T A T T A A T A T A G C G G G C C C G C C C G G G C G C C A A T A T A A T T A T T T A A A T Nucleotidi Entrambi i filamenti originari si comportano da stampo. Due nuove molecole di DNA identiche. Molecola originaria del DNA. La duplicazione del DNA • La duplicazione del DNA dipende dall’accoppiamento di specifiche basi azotate • La duplicazione del DNA comincia con i due filamenti del DNA di partenza che si separano. • Ogni filamento funziona da stampo per formare un filamento complementare. I nucleotidi si allineano lungo il filamento stampo. • Gli enzimi legano tra loro i nucleotidi per formare un nuovo filamento.

10. G C T A G C G C A T T A C G A T C G G C C G G C C C G G A C A T A T T G A T T G T T A A A A A C T T T A • La duplicazione del DNA è un processo complesso. Parte della complessità nasce dal fatto che, quando si duplica, la molecola elicoidale di DNA deve srotolarsi.

11. Punto di origine della duplicazione Filamento originario Filamento di nuova sintesi Bolla di duplicazione Due molecole figlie di DNA • I particolari della duplicazione del DNA • La duplicazione del DNA inizia presso specifici punti di origine della duplicazione sulla doppia elica.

12. Estremità 5 Estremità 3 P HO 5 4 2 3 A T 3 1 1 4 2 5 P P C G P P G C P P A T OH P Estremità 3 Estremità 5 • Ogni filamento di una doppia elica ha un orientamento opposto all’altro.

13. Molecola di DNA-polimerasi 3 5 Filamento sintetizzato senza interruzioni DNA originario 5 3 Filamento sintetizzato in segmenti consecutivi 3 5 5 3 DNA-ligasi Direzione complessiva della duplicazione • La cellula sintetizza un filamento nuovo in maniera continua usando l’enzima DNA-polimerasi. • L’altro filamento è sintetizzato in brevi segmenti consecutivi che sono poi uniti in un unico filamento dall’enzima DNA-ligasi.

14. Il trasferimento delle informazioni genetiche dal DNA all’RNA e alle proteine • Il genotipo presente a livello di DNA si esprime nelle proteine, che determinano il fenotipo • Il genotipo di un organismo è l’informazione ereditaria contenuta nel suo DNA (nella sequenza delle sue basi). • Le proteine sono sintetizzate sulla base di informazioni contenute in sequenze di DNA dette geni. • Un particolare gene, una sequenza lineare di molti nucleotidi, codifica un polipeptide (fornisce cioè le istruzioni per la sintesi proteica).

15. DNA Trascrizione RNA Traduzione Proteina • Le informazioni genetiche sono prima trasferite dal DNA a una molecola di RNA (trascrizione) e poi dall’RNA a una proteina (traduzione).

16. L’informazione genetica viene scritta sotto forma di codoni e tradotta in sequenze di amminoacidi • Le «parole» del linguaggio chimico del DNA sono triplette di basi chiamate codoni. • I codoni di un gene contengono le informazioni per la sequenza di amminoacidi di una catena polipeptidica.

17. Molecola di DNA Gene 1 Gene 2 Gene 3 Filamento di DNA A A A C A C G G A A C A Trascrizione U U U G U G C C U U G U RNA Codone Traduzione Polipeptide Figura 10.7 Amminoacido Trascrizione e traduzione dei codoni

18. Seconda base azotata U C A G U UUU UAU UCU UGU UGC Cys Phe Tyr UUC UAC C UCC Ser U UCA UAA Stop UGA Stop A UUA Leu UCG UAG Stop UUG UGG Trp G U CAU CGU CUU CCU His CAC CGC C CUC CCC C Pro Arg Leu CGA CUA CCA A CAA Gln CGG CUG CCG CAG Terza base azotata G Prima base azotata U ACU AUU AAU AGU Ser Asn Ile ACC AGC AUC AAC C A Thr AUA ACA AGA AAA A Lys Arg ACC Met o inizio AGG AAG AUG G U GAU GCU GUU GGU Asp GAC GCC C GUC GGC Gly Ala G Val GAA GCA GUA GGA A Glu GAG GCG GUG GGG G • Il codice genetico Quasi tutti gli organismi (dai batteri alle piante agli animali) condividono lo stesso codice genetico.

19. Filamento da trascrivere T A C T T C A A A A T C DNA A T G A A G T T T T A G Trascrizione G U U U A G A U A A G U mRNA Codone di inizio Codone di arresto Traduzione Met Polipeptide Lys Phe • Processo per decifrare l’informazione genetica del DNA:

20. La trascrizione • La trascrizione produce messaggi genetici sotto forma di RNA • Una rappresentazione dettagliata della trascrizione: Nucleotidi dell’RNA RNA-polimerasi A C C A T T A U T C T G U G A C A U C C A C C A G A T T T A G G Direzione della trascrizione Filamento stampo di DNA Figura 10.9A RNA appena sintetizzato

21. La trascrizione • Nelle cellule eucariotiche la trascrizione avviene nel nucleo. • I due filamenti di DNA si separano, nel punto in cui ha inizio la trascrizione, e uno dei due funziona da stampo. • I nucleotidi che costituiscono la nuova molecola di RNA prendono posto una alla volta lungo il filamento stampo del DNA, seguendo la stessa regola dell’appaiamento delle basi della duplicazione del DNA (tranne per il fatto che A si appaia con U invece che con T).

22. RNA-polimerasi DNA del gene DNA della sequenza promotore DNA della sequenza di terminazione Area mostrata nella figura 10.9A RNA in crescita RNA completato RNA-polimerasi La trascrizione • Trascrizione di un gene: 1Inizio 2Allungamento 3Terminazione

23. La trascrizione • L’RNA eucariotico viene modificato prima di lasciare il nucleo • Il tipo di RNA che codifica per le sequenze di amminoacidi è detto RNA messaggero(mRNA). • Le regioni di geni non codificanti, chiamate introni(cioè «sequenze che interrompono»), vengono rimosse. • Gli esoni (le regioni codificanti) si uniscono per produrre una singola molecola codificante di mRNA. Questo processo è chiamato splicing.

24. Esone Introne Esone Introne Esone DNA Trascrizione Aggiunta del cappuccio e della coda Cappuccio RNA trascritto con cappuccio e coda Gli introni vengono rimossi Coda Gli esoni si legano tra loro mRNA Sequenza codificante Nucleo Citoplasma La trascrizione Gli introni vengono rimossi e alle estremità dei segmenti sono aggiunti un cappuccio e una coda.

25. La traduzione • Le molecole di RNA di trasporto fungono da interpreti durante la traduzione • La traduzione dell’mRNA in proteine avviene nel citoplasma in corrispondenza dei ribosomi. • I ribosomi sono gli organuli che coordinano le operazioni necessarie per passare dalle sequenze nucleotidiche alle catene polipeptidiche.

26. 0 Sito d’attacco dell’aminoacido Legame idrogeno Catena polinucleotidica di RNA Anticodone La traduzione • Per la traduzione del messaggio genetico dell’mRNA nel messaggio proteico, la cellula utilizza un interprete molecolare, un particolare tipo di RNA, chiamato RNA di trasporto (tRNA).

27. Sito d’attacco dell’amminoacido Anticodone La traduzione • Ogni molecola di tRNA ha un’ansa a filamento singolo, posta a un’estremità, che contiene una speciale tripletta di basi azotate chiamata anticodone(complementare a un particolare codone dell’mRNA). • All’altra estremità c’è invece il sito di attacco di uno specifico amminoacido.

28. Molecole di tRNA Polipeptide in via di formazione Subunità grande mRNA Subunità piccola La traduzione • I ribosomi costruiscono i polipeptidi • Un ribosoma è costituito da due subunità, ciascuna formata da proteine e da grandi quantità di un tipo di RNA chiamato RNA ribosomiale (rRNA)

29. Sito di legame per l’mRNA Subunità grande Successivo amminoacido da aggiungere al polipeptide Polipeptide in via di formazione tRNA mRNA Subunità piccola Codoni La traduzione • Durante la traduzione, le subunità di un ribosoma tengono unite tra di loro le molecole di tRNA e di mRNA.

30. Inizio del messaggio genetico Fine La traduzione • Un codone d’inizio indica il punto di partenza del messaggio portato dall’mRNA

31. La traduzione • Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un polipeptide: 1 2 3 4 5